방사선의 역사와 종류 및 방사선에너지

방사선의 종류는 여러 가지가 있지만, 방사선의 종류에 대하여 언급하기에 앞서 방사선이 발견하게 된 역사에 대하여 먼저 알아보고, 방사선의 종류와 방사선 종류에 따른 방사선에너지에 대하여 알아보도록 하자.

 

 

방사선은 1895년도 뢴트겐(Rontgen)에 의해서 최초 X선이 발견되었으며, 그 다음해에 베크렐(Becquerel)이 우라늄의 방사능을 발견하였다. 이러한 발견에 이어 1898년에 퀴리(Curie) 부부가 라듐(Ra)과 폴로늄(Po)의 방사능을 발견하고, 1902년에는 러더퍼드가 α 선, β선, γ선을 발견하게 되었다.

그럼, 의료기관, 산업체, 교육기관 등 다양한 분야에서 현재 사용되고 있는 방사선의 종류와 성질에 대하여 알아보도록 하자.

 

1. 방사선의 종류

 

방사선은

 

    ① 투과작용

    ② 이온화 작용

    ③ 열작용

    ④ 사진작용

    ⑤ 형광작용

 

등 다양한 작용을 가지고 있지만, 이러한 모든 작용들은 이온화작용으로 인하여 발생된다. 따라서, 방사선의 근본이 되는 성질은 이온화작용이므로 방사선(radiation)을 이온화방사선(또는 전리방사선)으로 생각을 하더라도 문제될 것이 없다.

X선 및 α, β, γ선이 발견된 후, 중성자를 비롯한 중간자, 중양성자 및 다양한 중하전입자 등이 연속적으로 발견되었으며, 현재는 이러한 다양한 방사선들이 다양한 분야에서 다양한 목적으로 취급되고 있다.

 

<방사선의 종류>

종류		기호	전하	질량수
전자기방사선	X선	X	0	-
	γ선	γ	0	-
입자방사선	α선	α	+2	4
	β선	β-	-1	-
	전자선	e-	-1	-
	양전자선	β+	+1	-
	양성자선	p	+1	1
	중양성자선	d	+1	2
	중이온선	-	+1 이상	5이상
	중간자선	π, μ	±1, 0	e-와 p의 중간
	핵분열조각	-	+32~66	72~161
	중성자선	n	0	1

<출처> 한권으로 끝내는 원자력이론

 

전자기방사선

전자기파란 전파, 적외선, 빛, 자외선, X선, γ선 등을 통틀어 말하는 단어다. 소위, 눈에 보이는 가시광선(빛)은 좁은 진동수 범위에 위치하는 전자기파이며, 빛보다 진동수가 낮은 적외선은 눈에는 보이지 않지만 피부에서 따뜻함을 느낄 수 있다. 이와 반대로 빛보다 진동수가 높은 자외선 또는 우리 눈으로 확인할 수는 없지만 피부를 검게 하거나 살균작용을 한다. 그리고 전자기파 중 에너지가 상대적으로 높고, 이온화 작용을 가진 X선과 γ선을 우리는 전자기방사선이라는 용어를 사용하고 있다.

 

입자방사선

 

위 표에서 언급한 바와 같이 입자방사선에는 여러 가지 종류가 있으며, 이 중에서 전자선은 인공적으로 만드는 인공 방사선으로, 전자가속기를 이용하여 고전압으로 전자를 가속하여 발생시킨다. 양전자는 (+)전하를 가지고 있는 전자를 말하며, β+ 붕괴를 할 때 방출한다. 양성자선으로 전자선과 마찬가지로 인공방사선의 일종이며, 사이클로트론과 같이 입자가속기를 사용하여 고전압으로 가속시켜 발생시킨다.

중양성자는 중수소의 원자핵을 말하는 것으로, 양성자 1개와 중성자 1개로 이루어져 있다. 중이온은 리튬(Li)보다 무거운 원자이온으로 이온화가속기를 이용하여 발생시킨다. 중간자는 핵반응 작용으로 생기며, 핵분열 조각은 U-235나 Pu-239가 핵분열할 때 생기는 것으로 강력한 운동에너지를 가지고 있다.

 

2. 방사선 에너지

 

전자기방사선의 에너지

 

빛은 파동성과 입자성 두가지 성질을 가지고 있으며, 이러한 두 가지 성질. 즉, 파동성과 입자성은 서로 대립적인 개념이 아니라 서로 모자란 부분을 채워주는 상보적인 개념으로 보고 있다. 이러한 상보적인 관계에 있는 것을 빛의 2중성이라 한다. 전자기파는 파동인 동시에 입자이기도 하기 때문에, 전자기파는 에너지와 운동량을 모두 가지고 있다.

전자기파의 진동수를 υ(s^-1), 파장을 λ(m)라 하면, 그 에너지 E(J)는

 

 

로 주어지고, 그 운동량 p(kg·ms^-1)는,

 

로 표시할 수 있다. 그리고 위 식을 이용하여 진동수 υ와 파장 λ과의 사이에는 다음과 같은 관계식을 나타낼 수 있다.

 

 

위 식에서 알 수 있듯이, 진동수가 높을수록 에너지도 운동량도 커지며, 진동수 υ의 전자가피는 에너지와 운동량을 가진 입자의지 흐름이라 볼 수 있다.

 

입자방사선의 에너지

 

입자방사선의 에너지 E(J)는 해당 입자의 운동에너지를 나타내며, 입자의 질량을 m(kg), 속도를 v(m·s-1)라 하면,

 

 

로 나타낼 수 있다.

하전입자는 전장속에 있으면, 가속되어 에너지를 얻게 되는데, 전자를 진공속에서 전위차 V(볼트)로 가속시키면, 음극에서 나온 전자가 양극에서 얻는 에너지 E는

 

 

이다. 여기서 e는 전자의 전하(= 1.6×10^-19 C)이다.

위 식에서 전기에너지 eV가 모두 운동에너지 mv²/2로 변환한다고 가정하면, 전자의 에너지는 전위차 V에 비례하여 높아질뿐, 두 전극간의 거리에는 무관하고, 거리가 짧으면 시간적으로 빠른 속도로 도착하고 거리가 길면 그만큼 도착하는 시간이 늦어질 뿐이다.

그리고 양성자의 질량은 전자에 비하여 1,840배 무겁기 때문에 전자일 때와 같은 전압으로 가속시키면, 그 속도는 약 1/43로 떨어지게 된다. 그러나 같은 전압에서 얻게 되는 에너지는 전자일 때와 같다.